JP2013193844A - エレベーター - Google Patents

Abstract

【課題】乗りかごの振動をアクチュエータで打ち消すエレベーターにおいて、制御コントローラをシンプルなものとし、少ないアクチュエータで振動抑制効果を高めると共に、据付や調整を容易にする。
【解決手段】ガイドレール２に沿って昇降する乗りかご１と、該乗りかごの加速度を検出する加速度センサ２０と、該加速度センサで検出した信号に応じて乗りかご１の振動を打ち消すように駆動されるアクチュエータ２１と、を備えたエレベーターにおいて、乗りかごの上部と下部に設けられ、ガイドレールへ押付ばね６、８、１０、１２によってガイドローラを押し付けるガイド装置と、乗りかごの上部と下部の少なくとも一方のガイド装置の剛性を他方よりも２倍以上５倍以下とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガイドレールに沿って昇降するエレベーターに関し、特に乗りかごの振動を抑制して良好な乗り心地を実現するものに好適である。

エレベーターは、乗りかごがロープによって懸架されており、モータでロープを巻上げることでかごが上下に昇降する。乗りかごは、その上下に設置されたシューないしガイドローラを用いたガイド装置を介して昇降路の左右に設置されたガイドレールに沿って昇降する。

乗りかごの振動や傾きを低減するため、ガイドレールを挟んで両側に設けられた２つのガイドローラのガイドレールに対する押圧力を、１つのアクチュエータによって制御することが知られ、例えば、特許文献１に記載されている。

また、ガイドレール等による振動を打ち消す方向に乗りかごに強制的な外力を作用させて振動を積極的に減衰させるため、乗りかごの加速度を検出する加速度センサと、制振装置とをエレベーターの乗りかごの上部と下部の少なくとも一方に設けることが知られ、例えば、特許文献２に記載されている。

さらに、かごの上下かつ左右の合計４箇所にアクチュエータに設置して協調制御、具体的には、Ｈ∞方法により最小値が見出されるまで多変数調整器のパラメータを変化させ最適化することが知られ、特許文献３に記載されている。

特開２００６−１３１３８５号公報 特開平６−７２６６７号公報 特開２００５−２１９９２９号公報

乗りかごの走行中の振動は、並進の振動モードの他にも回転の振動モードなど複数の振動モードが存在する。したがって、特許文献１及び２に記載のものでは、複数の振動モードを抑制することが困難である。

また、特許文献３に記載のものでは、多数の変数を有する関数の最適化を図らなければならいので、制御コントローラが複雑化し、アクチュエータの数を多く必要とされ、現実的とは言い難い。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、制御コントローラをシンプルなものとし、少ないアクチュエータで振動抑制効果を高めると共に、据付や調整を容易にすることにある。

また、他の目的は、上記に加えて、乗りかご高さを縮小することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、昇降路内の鉛直方向に設けられたガイドレールと、該ガイドレールに沿って昇降する乗りかごと、該乗りかごの加速度を検出する加速度センサと、該加速度センサで検出した信号に応じて前記乗りかごの振動を打ち消すように駆動されるアクチュエータと、を備えたエレベーターにおいて、前記乗りかごの上部と下部に設けられ、前記ガイドレールへ押付ばねによってガイドローラを押し付けるガイド装置と、前記乗りかごの上部と下部の少なくとも一方の前記ガイド装置の剛性を他方よりも２倍以上５倍以下としたものである。

本発明によれば、乗りかごの上部と下部の少なくとも一方のガイド装置の剛性を他方よりも２倍以上５倍以下としたので、レールの強制変位加振によって乗りかごの並進と回転（ピッチング）の２つの振動モードが励起される場合、評価面である床位置の応答加速度は、それぞれの振動モードの時間応答の重ね合わせであり、各モードの応答加速度の位相の差（時間遅れ）を小さくすることができる。したがって、並進モードと回転モードの応答に対する位相差を小さくすることで、制御コントローラをシンプルなものとし、少ないアクチュエータで振動抑制効果を高めることができる。

本発明による一実施の形態を示す斜視図。 一実施の形態におけるガイド装置の側面図。 一実施の形態におけるガイド装置の側断面図。 一実施の形態における乗りかごの振動モードを示す模式図。 一実施の形態において、乗りかごの振動位相差を示すグラフ。 一実施の形態における制御システムを示すブロック図。 一実施の形態における制振効果を示すグラフ。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。
エレベーターの走行中の振動には、上下方向と横方向の振動がある。上下方向の振動は、巻上機のモータのトルクリップル、シーブやプーリの偏芯による強制加振がロープに伝播して発生する。このため、モータのリップル低減や回転体の偏芯量の縮小が必要とされる。

横方向の振動は、主にガイドレールの曲がりや段差の強制変位が乗りかごに加わることによって発生し、高速エレベーターでは曲がりに起因する加振周波数が上昇する。横振動を低減するには、ガイドレールの据付誤差が小さくなるように施工を管理したり、ガイド装置や乗りかごの下に防振ゴムやダンパを用いて減衰付加を行ったりしている。

また、乗りかごの走行中の振動（かごの揺れ）として、並進と回転の運動を主とする２つの振動モードを効果的に抑制するには、励起される２つの振動モードについて、評価位置である床面の応答について、これらの入力（強制変位波形）との位相の差を小さくすることが望ましい。これを実現するには、かごの動特性に影響の大きい重心位置やガイド装置の剛性を変更すれば良い。しかし、重心位置を変更するには、例えば錘をかごの上部もしくは下部に搭載すれば良いが、乗りかごの質量増大を招き、ロープの本数が増える。また、質量の大きな機器の配置を変更することでも良いが、寸法の制約などにより実用的には困難である。

さらに、仮にガイド装置の剛性の設計値を定めても、据付先の実物が必ずしも設計値と一致するとは限らない。そこで、現場で簡単にガイド装置の剛性を変更できることが良い。

図１はエレベーターの乗りかご１の斜視図である。以降の説明では、乗りかご１の正面に対して奥行き方向をＸ方向、水平方向をＹ方向、上下方向をＺ方向とする。

エレベーターは、乗りかご１とつり合錘がロープ３によって連結され、これらが巻上機（図示せず）によって駆動される。ロープ３は乗りかご１の上部でほぼ中央に設けている。エレベーターの昇降路内には、Ｔ型断面のガイドレール２ａ、２ｂを鉛直方向に左右一対設けており、ガイドレール２ａ、２ｂに沿って乗りかご１が上下に昇降する。乗りかご１の上部ならびに下部は、図示しないが、ドア駆動装置、ロープ端部、ガイド装置、非常止め装置などの各種装置が設けられる。

ガイドレール２ａ、２ｂは４〜５ｍの長さで、これらを縦方向に連結して据え付けるため、これらの接続点においては段差や曲がりが生じる。この段差や曲がりは、強制変位として乗りかご１に作用する。この強制変位に起因した振動が、乗りかご１へ伝播するのを防ぐため、乗りかごの上下４箇所にはＴ型のガイドレール２ａ、２ｂを挟み込んで昇降を案内するガイド装置を設置している。

ガイド装置は、ガイドローラを中心で軸支持し、固定された支点で回動可能とされたレバー、ガイドローラを押し付ける押付ばねを備え、ガイド装置の剛性は、ガイドレールと接するガイドローラの中心位置におけるかごとガイドレールとの間の接触剛性を表す。このため、ガイド装置の剛性を高めるには、ガイドローラゴムの剛性を上げる、押付ばねのばね定数を上げる、レバーについては、支点からガイドローラ中心までの距離に対する支点から押付ばね位置までの距離の比、つまり、テコ比を拡大することで行うことができる。ただし、ガイドローラゴムの剛性は、押付ばねに比べて十分高いので（１０倍以上）、ガイド装置の剛性（＝等価ばね定数：ガイドローラの中心位置に換算したばね定数）は、押付ばねのばね定数と、レバーのテコ比で決まることになる。

振動伝搬を抑制するため、ガイドローラはゴム製で、このガイドローラはばねを介して乗りかご１に連結する。ガイドローラを軸支持したレバーにはダンパを設置している。乗りかご１の振動を低減するため、ガイド装置の剛性が小さい方が振動伝達率を小さくすることができるが、一方で乗りかご１に乗客が乗り込むときの乗りかご１の傾きが大きくなるため、ガイド装置の剛性はある一定以上の値に設定する。

図１では、乗りかご１の左右の下方に、制振用のアクチュエータを備えたガイド装置を取付けている。アクチュエータ２１ａは、ガイドローラ１１ａをガイドレール２ｂに押し当てるための押付ばね１２ａと連結されている。アクチュエータは、左側のＸ方向と右側のＹ方向にも配置されており、それぞれ押付ばねに連結されている。

乗りかご１には、振動を検出する加速度センサ２０ａ、２０ｂを設置して、前後方向と横方向のそれぞれ２方向の加速度を検出する。アクチュエータ２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、加速度センサ２０ａ、２０ｂで検出した信号に応じてフィードバック制御を行い、乗りかご１の振動を打ち消すように駆動する。加速度センサ２０ａ、２０ｂは、乗りかご１の下方に設置しているが、この位置に限定されず、上方のみ、あるいは上方と下方の両方に設置してもよいが、かごのＹ軸周りの回転運動を検出するため、かごの高さ方向に異なる位置に設置する。

乗りかご１は、レールからの曲がりなどによって振動が発生するが、Ｘ方向のみの並進運動だけに限らず、並進や回転の運動が連成した複数の振動モードからなる。一般的には、ローリング、ピッチング、ヨーイングなどの呼び方があるが、エレベーターの場合には、正面方向と進行方向が自動車や船舶のように一致しないので、以下Ｘ軸回転、Ｙ軸回転、Ｚ軸回転モードと記す。

図２は、図１のＸ方向の乗りかご振動の制御を行うガイド装置を示している。ガイド装置は、２つのガイドローラ９ａ、９ｂがレール（図示せず）を左右から挟み込む構成をしている。ガイドローラ９ａ、９ｂは、中央部とレバー３６ａ、３６ｂとをボルト６１ａ、６１ｂで連結されている。レバー３６ａ、３６ｂは、ベース３３ａ、３３ｂとボルト３２ａ、３２ｂで固定され、ベース３３ａ、３３ｂは乗りかご１の下側に固定される。ガイドローラ９ａ、９ｂをレールに押し付けるばね１２ａ、１２ｂは、コイルばねであって、ガイドローラ中央よりも下方に位置している。

可動体４０は、レバー３６ａ、３６ｂにロッド４５ａ、４５ｂを介して可動体４０と固定され、ばね１２ａ、１２ｂの押し込み量が調整可能とされている。アクチュエータ２１ａは、モータ４１とボールねじ４２を有し、可動体４０と連結されている。可動体４０は、上下方向の運動を拘束するリニアガイド３９があり、水平方向のみに移動可能である。

ガイド装置全体の高さｈを縮小するため、レバー３６ａ、３６ｂの支点３２ａ、３２ｂを、ガイドローラ９ａ、９ｂの中央に近付けてその投影断面を紙面垂直方向に重なるように配置する。また、ガイドローラ９ａ、９ｂには、円周状に穴３４ａ、３４ｂを設け、ピッチ円周状３５ａ、３５ｂにボルト３２ａ、３２ｂを設ける。これにより、ガイドローラ９ａ、９ｂと、レバー３６ａ、３６ｂとベース３３ａ、３３ｂを紙面垂直方向に干渉することなく、高さ方向に重ねて高さｈを縮小している。

図３は、ガイドローラ９ａ、９ｂと、レバー３６ａ、３６ｂとベース３３ａ、３３ｂのＸ方向の配置を示す側断面図である。ガイドローラ９ｂとレバー３６ｂ、ベース３３ｂはすべて重なり合うことなく配置されている。固定ボルト３２を左から挿入して、ガイドローラ９ｂ上に設けた穴３４ｂを通過させれば、レバー３６ｂとベース３３ｂを連結することができる。

ガイド装置の剛性は、ガイドローラ中心からレバー支点までの距離ｂを小さく、ガイドローラ中心からばね位置までの距離ａを大きくするほど大きくなる。ばね１２ａ、１２ｂの位置を、点線で示す位置３８ａ、３８ｂに変更することで、ガイド装置の剛性（等価ばね定数）を変更することができる。レバー支点をガイドローラ中心から近付けることによって、支点からガイドローラ中心と支点からばね位置のテコ比を大きく確保することができるので、ばね位置の変更（ａ→ａ′）による剛性の変化量も同様に大きくすることができる。

これにより、ガイド装置の剛性を据付現場で変更する際に、ばね定数の異なる複数のばねを用意する必要もなく、調整作業を簡単に行うことができる。ばね１２ａ、１２ｂの高さ方向の位置を変更するために、レバー３６ａ、３６ｂの長手方向には溝４８（図３）があり、ばね１２ａ、１２ｂの位置をスライドさせる。本図では、ロッド４５ａ、４５ｂを可動体４０に固定する穴（図示せず）を複数設けて寸法ａを変更できるが、この他、支柱３１とベース４４の間にスペーサ４６を設けてばね位置を調整してもよい。

次に、図１のＸＺ平面上の振動モードの模式図を用いて説明する。図４はアクチュエータ２１ａをかごの下部に設けて加振した場合のかごの動きを表している。

上段の（ａ）と（ｂ）は床位置５３で並進モードと回転モードとが同じ方向に振動するケース（最も極端な場合として、入力変位波形に対して２つのモードの応答変位波形の位相差が０゜の状態）、（ｃ）と（ｄ）は逆方向となるケースを表す（最も極端な場合として、入力変位波形に対して２つのモードの応答変位波形の位相差が１８０゜の状態）。いずれも最もわかりやすい条件の状態を記載している。上段と下段ともに、最も右にある図は、これらの２つの振動モードが重なり合ったときの振動状態を表している。

乗りかごの初期状態を点線５２で表し、振動している状態を実線で表す。上段の（ａ）の並進モードでは、かごが左側に動いているので、これを抑制するには、アクチュエータ２１ａで右側にかごに制御力を与える必要がある。この制御力では、（ｂ）の回転モードも同様に抑制できる。

一方で下段の（ｃ）と（ｄ）については、（ｃ）の並進モードを抑制する場合、（ａ）と同様にアクチュエータで右側にかごに制御力を与える。この制御力では、（ｄ）の回転モードを抑制する方向ではなく、かごの回転を増大させる側となる。よって、アクチュエータを下側のみに配置する場合には、上段の（ａ）（ｂ）に示す２つのモードの応答について、入力に対するそれぞれの位相の差を小さくした（理想的には位相の差が０で上段の（ａ）と（ｂ）の状態）構造設計により制振効果の向上が期待できる。

図５は、乗りかごのＸＺ平面において、並進（ＴＸ）と回転（ＲＹ）の２つのモードについて、各モードの位相の差に関する計算結果を示している。横軸は、上側のガイド装置の剛性を下側のガイド装置の剛性で除した剛性比率である。ガイド装置の剛性は、ガイドローラの中心位置に換算した等価ばね定数（Ｎ／mm）であり、実質的に押付ばねのばね定数と、レバーのテコ比で決まることになる。

また、図５は、上下のガイド装置が受ける強制変位から床面加速度までの伝達関数の位相をもとに２つのモードの位相の差を計算した図である。伝達関数は、図５で右上に示す１質点の剛体モデルで並進と回転を有する２自由度の力学モデルを用いている。まず、上下のガイド装置をそれぞれｋ₀として、上下がいずれもｋ₀で同じ場合（上下の剛性の比は１：１の関係）を初期構造と定義する。これに対して、上下のガイド装置の剛性を、それぞれａ倍、ｂ倍してａ・ｋ₀とｂ・ｋ₀の構造変更を行う。図５は、ａ＝１かつｂ＝２に設定したときの２つの振動モードの位相の差についての計算結果である。ここで、剛性比率をａ／ｂと定義すれば、ａ／ｂが大きいほど上側のガイド装置の剛性が他方よりも大きく、小さいほど下側のガイド装置の剛性が他方よりも大きいことを表す。

エレベーターの場合、上下のガイド装置は同じレール面を通過するため、同一の強制変位入力が乗りかごに作用する。上下のガイド装置の入力には速度と上下のガイドの設置間隔、レール長さに起因した時間差が発生する。このため、本図に示すように、上昇運転と下降運転では、２つの振動モードの位相の差が同一とならず、それぞれ傾向が異なる。

この図によれば、上昇運転と下降運転の両者において、剛性比率（＝ａ／ｂ）が０.２〜０.５の範囲で位相差が小さくなっている。なお、この線図は、図示しないが、ｂ＝２に限らず、ａ＝０.５かつｂ＝１の条件の他にも、ａ＝１かつｂ＝３などに変化させてもほとんど同じ線図となる。

実際のエレベーターにおいて、振動性能より、ｂ＝５以上とすることは、ガイド装置の剛性が硬くなりすぎて、レールの不整に対して過敏となるので、乗りかご１の振動を低減するうえでは実用的でない。

したがって、剛性比率（＝ａ／ｂ）が０.２〜０.７、より望ましくは０.２〜０.５に対応する設計領域として、下側のガイド装置の剛性を上側よりも、１.５倍以上５倍以下、より望ましくは２倍以上５倍以下にすることが良い。

図６は、フィードバック制御システムのブロック図であり、Ｘ方向の並進とＹ軸周りの回転、Ｚ軸周りの回転の振動を制振するための２つのアクチュエータ２１ａ、２１ｂの制御システムブロックである。

かご下に取付けた加速度センサ２０ａと加速度センサ２０ｂの信号は、ノイズを除去するためローパスフィルタ６２ａ、６２ｂを通過する。そして、それぞれの信号を並列に制御器６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄに入力して、アクチュエータ（図１中２１ａ）の制御指令６５ａは、制御器６３ａ、６３ｃの合成和、アクチュエータ（図１中２１ｂ）の制御指令６５ｂは、制御器６３ｂ、６３ｄの合成和となる。なお、アクチュエータへの過電流を防止するため、それぞれにはリミッタ６４ａ、６４ｂを設けている。

制御器は、ロバスト制御設計の１手法であり、制御対象の不確定な部分を外乱信号として扱うことで、モデルの不確かさの影響を抑制するＨ∞制御理論等を用いて、人体の乗り心地感度等を考慮した重み関数を用いて周波数整形を行って設計すればよい。この制御設計に基づいて、制御器６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄを構成する他、現場での調整を用意にするために、比例制御と位相補償器によって構成してもよい。

図７は、制振効果について、初期構造に比べて２つのモードの位相の差を小さくした構造を比較したシミュレーションの結果である。かごに段差を模擬するステップ状の強制変位を上側ガイドと下側ガイドに時間差をつけて与えて、そのときの床位置の加速度を表している。（ａ）の制御無しに比べて、（ｂ）の初期構造においても制御を行うことで、約４０％の振動低減が認められる。これに対して、本実施の形態によれば、さらに制振効果が高く、制御無しに比べて約７０％の振動低減効果が見られる。

また、上記は、乗りかご１の重心位置５４が高さ方向の図心よりも下方にあり、アクチュエータ２１ａを下側のみに設置した構成について述べたものである。しかし、乗りかご１の重心位置５４が上方にある場合には、アクチュエータ２１ａを上側に設置して、上側のガイド装置の剛性を下側よりも硬くすれば、同様の制振効果が得られる。

以上のべたように、上記実施の形態によれば、励起される乗りかごの複数の振動モードが、レールの不整に対して振動モードが同じ方向に振動するようしている。また、レールからの振動伝達ゲインは上側のガイド装置よりも下側のガイド装置からの方が大きいので、アクチュエータを乗りかごの下側に配置し、下側からの入力に対して、かごの並進と回転（ピッチング）の２つの振動モードの位相の差が、床位置（アクチュエータの配置側と等価）で小さくなるようにした。

具体的には、上下に配置したガイド装置の剛性の配分を同じにするのではなく、下側の剛性を上側よりも高く非対称としている。また、ローラを軸支持するレバーの支点と、ローラ中心との距離を短くし、レバーのばね固定部をローラ中心から離し、同じばねを用いても、ガイド装置の剛性を高くしている。つまり、支点からローラ中心と支点からばね位置のテコ比を拡大することと等価である。

さらに、ローラとレバーの支点位置を近づけるため、レバーの支点を、ローラの投影断面内に配置している。支点の固定ボルトは、ローラに円周状に等間隔で空けた穴ピッチ円上に設け、この穴を利用してレバーとガイド装置ベースとをボルトで連結することを容易としている。さらに、ローラの押付ばね位置は、レバーに溝を設けてばねを上下に変更できるので、ばねを交換することなく、現場で容易にガイド装置の剛性を変更することができ、据付や調整にかかる時間を削減することができる。さらに、ガイドローラの中心とガイド装置ベースとの距離を近づけることができるため、乗りかごの高さを縮小することができる。

１ 乗りかご
２ａ、２ｂ ガイドレール
３ ロープ
５ａ、５ｂ、５ｃ、７ａ、７ｂ、７ｃ、９ａ、９ｂ、９ｃ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ ガイドローラ
６ａ、６ｂ、６ｃ、８ａ、８ｂ、８ｃ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 押付ばね
２０ａ、２０ｂ 加速度センサ
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ アクチュエータ
３３ａ、３３ｂ ベース
３６ａ、３６ｂ レバー
４０ 可動体
４１ モータ
４２ ボールねじ
４４ ベース
４５ａ、４５ｂ ロッド
６２ａ、６２ｂ ローパスフィルタ
６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ 制御器

Claims (4)

1. 昇降路内の鉛直方向に設けられたガイドレールと、該ガイドレールに沿って昇降する乗りかごと、該乗りかごの加速度を検出する加速度センサと、該加速度センサで検出した信号に応じて前記乗りかごの振動を打ち消すように駆動されるアクチュエータと、を備えたエレベーターにおいて、
   前記乗りかごの上部と下部に設けられ、前記ガイドレールへ押付ばねによってガイドローラを押し付けるガイド装置と、
   前記乗りかごの上側と下側の少なくとも一方の前記ガイド装置の剛性を他方よりも２倍以上５倍以下としたことを特徴とするエレベーター。
2. 請求項１に記載のエレベーターにおいて、前記乗りかごの下側の前記ガイド装置の剛性を上側の前記ガイド装置の剛性よりも２倍以上５倍以下とし、前記乗りかごの下部に前記アクチュエータを設けたことを特徴とするエレベーター。
3. 請求項１に記載のエレベーターにおいて、前記乗りかごの上側の前記ガイド装置の剛性を下側の前記ガイド装置の剛性よりも２倍以上５倍以下とし、前記乗りかごの上部に前記アクチュエータを設けたことを特徴とするエレベーター。
4. 請求項１に記載のエレベーターにおいて、前記ガイド装置は、前記ガイドローラを中心で軸支持し固定された支点で回動可能とされたレバーと、該レバーを介して前記ガイドローラを前記ガイドレールへ押し付ける押付ばねと、を備え、
   ガイド装置の剛性は、前記支点から前記ガイドローラ中心までの距離に対する前記支点から前記押付ばね位置までの距離の比を変えることで可変とされることを特徴とするエレベーター。